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第4章 数控机床机械结构的故障诊断与维修
4．1 数控机床机械结构概述
数控在GB中的定义是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。现代数控机床是集高新技术于一体的典型机电一体化加工设备。数控加工设备主要分切削加工、压力加工和特种加工(如数控电火花加工机床等)3类。切削加工类数控机床的加工过程能按预定的程序自动进行，消除了人为的操作误差和实现了手工操作难以达到的控制精度，加工精度还可以用软件来校正和补偿。因此，可以获得比机床精度还要高的加工精度及重复定位精度；工件在一次装夹后，能先后进行粗、精加工，配置自动换刀装置后，还能缩短辅助加工时间、提高生产率；由于机床的运动轨迹受可编程的数字信号控制，因而可以加工单件和小批量且形式复杂的零件，生产准备周期大为缩短。综上所述，数控机床具有精度高、效率高、自动化程度高和柔性好的特点。
　　从数控机床的生产现状和发展趋势看，由于微电子技术、信息处理技术等新技术、新工艺在机床行业的渗透和应用，它与普通机床相比不仅在机械结构性能方面发生了“质”和“形”的变化，且其外观造型也形成了自身独特的风格和特点。

数控机床机械结构设计的特点
　　数控机床虽然也有普通机床所具有的床身和立柱、导轨、工作台、刀架等部件。但为了与控制系统的高精度、高速度控制相匹配，对机床主机部分的结构设计还提出了高精度、高刚度、低惯量、低摩擦、无间隙、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。由于机械结构形式是体现其性能的具体手段，是实现性能的核心因素(当然结构也受材料和工艺的影响)，因此，数控机床的关键部件在结构设计中也有了重大变化。
    1．基础部件的结构特点
　　数控机床的基础件主要包括床身、立柱、工作台等支承件，它们的基本功能是支承承载和保持各执行器官的相对位置。数控机床集粗精加工于一体，既要能够承受粗加工时大吃刀、大走刀的最大切削力、又要能够保证精加工时的高精度。因此，对基础件的结构设计在强度、刚度、抗振性、热变形和内应力等都提出了很高的要求。现行生产的数控机床采用的主要措施有：铸件采用全封闭截面，合理布置内部隔板和肋条，含砂造型或填充混凝土等材料，导轨面加宽，车床采用倾斜的床身和导轨还利于排屑，床身、立柱采用钢质焊接结构，可以明显提高其刚度，根据热对称原则布局还能增加散热隔热效果。
    2．主传动系统的结构特点
　　主传动系统实现各种刀具和工件所需的切削功率，且在尽可能大的转速范围内保证恒功率输出，同时为使数控机床能获得最佳的切削速度，主传动须在较宽的范围内实现无级变速。现行数控机床采用高性能的直流或交流无级调速主轴电机，较普通机床的机械分级变速传动链大为简化。对加工精度有直接影响的主轴组件的精度、刚度、抗振性和热变形性能要求，可以通过主轴组件的结构设计和合理的轴承组合及选用高精度专用轴承加以保证。为提高生产率和自动化程度，主轴应有刀具或工件的自动夹紧、放松、切屑清理及主轴准停机构。最近日本又开发研制了新型的陶瓷主轴，重量轻，热膨胀率低，用在加工中心上，具有高的刚性和精度。
    3．进给系统结构特点
　　数控机床的进给系统是由伺服电机驱动，通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的进给运动。为确定进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械装置时，以“无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度”为原则，具体措施有： ①采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和直线滚动导轨； ②采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠相联接，缩短和简化进给传动链； ③通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙； ④对滚动导轨和丝杠预加载荷，预拉伸。
    4．数控回转工作台和自动交换工作台
　　数控镗、数控铣和加工中心，采用内部结构具有数控进给驱动机构特点的回转工作台，实现圆周任意角度的分度和进给运动。对多工序数控机床，配置自动交换工作台，进一步缩短辅助加工时间。
    5．刀架系统
　　回转刀架，更换主轴换刀和带刀库的自动换刀系统及多刀架、多主轴布局对提高生产效率和自动化水平发挥了重要作用。为使刀具在机床上迅速定位、夹紧，普遍采用标准刀具系统和机夹刀。
    6．数控附件
　　机床附件的作用是配合机床实现自动化加工。数控机床专用的附件有：①对刀仪，②自动编程机，③自动排屑器，④物料储运及上下料装置，⑤自动冷却、润滑及各种新型配套件如导轨防护罩等。
7．数控机床的外观造型特点
　　数控机床的外观大都采用线型简洁的板块组合式全封闭安全防护罩，配备有现代特征的集操作、显示、控制于一体的操作面板，淘汰了普通机床各种操作手柄、手轮和线型复杂零散的多面型表面形态。安全防护罩可防止高压、大流量冷却液及铁屑飞溅，减少粉尘入侵，隔声降噪，有利于机床的精度保持和环境保护，真正体现了机、电、液一体化的特点。
　　依人机工程学宜人性原则设计的桌面式或悬挂式数控操作面版，是机床与操作者联系和信息交流的唯一界面，指示灯、按钮、按键的数量与排列及CRT的设计，既适合人的操作特性，又利于人机间的协调与交流，通过视觉良好的键面色彩，标准化的象形符号意象抽取，能准确反映和传递两者间的信息。
　　数控机床结构设计反映产品内在功能的深层特性，外观表达的是产品表层特性，对用户而言，深层次的与产品使用密切相关的结构性能要通过表层的外观形态来传递和表达。全封闭防护罩虽然掩盖了机床的主体结构，却至少传达了数控机床这样几个方面的深层内含：①先进的数控数显装置；②对机床的精度和刚度使用的可靠性、安全防护性及环保等有严格要求；③采用先进标准的刀具系统及安装位置合理的自动换刀装置；④采用整套商品化、标准化的新型配套件、自动排屑、润滑和冷却装置等。概括为高精度、高效率、高自动化和机电液一体化。

4．1．1 数控机床机械结构的基本组成
数控机床是机械和电子技术相结合的产物，其机械结构随着电子控制技术在机床上的普及应用，以及对机床性能提出的技术要求，而逐步发展变化。是对普通机床的进给系统进行革新、改造，而后逐步发展成一种全新的加工设备。
数控机床机械结构的主要组成
1 主传动系统；
2 进给系统，
3 实现工件回转、定位装置和附件；
4 实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置：
5 刀架或自动换刀装置(ATC)，
6 自动托盘交换装置(APC)；
7 特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置；
8 为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。

4．1．2 数控机床机械结构的主要特点和要求
数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，与普通机床相比，应该具有更好的刚性和抗振性，相对运动面的摩擦系数要小，传动部件之间的间隙要小。
数控机床机械结构的主要特点
（一）高刚度和高抗振性
1．机床刚度的基本概念   
    机床刚度是指机床结构抵抗变形的能力。
    机床在静态力作用下所表现的刚度称为机床的静刚度；
     机床在动态力作用下所表现的刚度称为机床的动刚度
    满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求，与普通机床比较，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。2．提高数控机床结构刚度的措施
   (1) 提高机床构件的静刚度和固有频率
   (2) 改善数控机床结构的阻尼特性
   (3) 采用新材料和钢板焊接结构
(二)减少机床热变形的影响
    机床的热变形是影响机床加工精度的重要因素之一。数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而大切削量产生的炽热切屑对工件和机床部件的热传导影响远比普通机床严重，而热变形对加工精度的影响操作者往往难以修正。因此，应特别重视减少数控机床热变形的影响。 
   常用以下措施减少发热：
    1．改进机床布局和结构
    (1)  采用热对称结构 
    (2)采用倾斜床身和斜滑板结构 
    (3)采用热平衡措施
  2．控制温度
    对机床发热部位(如主轴箱等)，采用散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量。
  3．对切削部位采取强冷措施
    在大切削量切削加工时，特别是加工中心和数控车床普遍采用多喷嘴、大流量冷却液来冷却，并对冷却液用大容量循环散热或用冷却装置致冷以控制温升。
 4．热位移补偿
    预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时补偿。下图是热变形自动修正装置。

(三)传动系统机械结构简化
    数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统，分别采用交、直流主轴电动机和伺服电动机驱动，这两类电动机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，箱体结构简单，齿轮、轴承和轴类零件数量大为减少甚至不用齿轮，由电动机直接带动主轴或进给滚珠丝杠。是某普通车床和数控车床的传动系统图。普通车床和数控车床的传动系统比较图

(四)高传动效率和无间隙传动装置
      数控机床在高进给速度下，工作要求平稳并有高定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。
(五)低摩擦因数的导轨
     机床加工精度和使用寿命在很大程度上决定于机床导轨的质量，数控机床的导轨则有更高的要求。要求在高速进给时不振动，低速进给时不爬行，具有很高的灵敏度，能在重载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。
1．塑料滑动导轨
  传统的铸铁—铸铁滑动导轨，除经济型数控机床外，在其它数控机床上已不采用。取而代之的是做铸铁—塑料或镶钢，塑料滑动导轨。
  导轨塑料常用聚四氟乙烯导轨软带和环氧耐磨导轨涂层两类。
（1）聚四氟乙烯导轨软带   
  这种导轨软带材料是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二流化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状。聚四氟乙烯导轨软带的特点主要有以下四点：
     ①  摩擦特性好
     ②  耐磨性好 
     ③  减振性好   
     ④  工艺性好 

   由于聚四氟乙烯导轨软带具有这些优点，所以被广泛的应用于中、小型数控机床的运动导轨。
(2)环氧型耐磨涂层
  环氧型耐磨涂层是以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑料剂，混合成液状或膏状为一组和固化剂为另一组的双组份塑料涂层。
  SKC3导轨塑料涂层具有、良好的可加工性，可经车、铣、刨、钻、磨削和刮削加工。
2．滚动导轨
  滚动导轨具有摩擦因数低，一般是0.003左右，动、静摩擦因数相差小，几乎不受运动速度变化的影响，定位精度和灵敏度高，精度保持性好等优点。数控机床的常用的滚动导轨有两种。
滚动导轨块 ：这是一种滚动体循环运动的滚动导轨。移动部件运动时，滚动体沿封闭轨道作循环运动。滚动体为滚珠或滚柱。
单元式直线滚动导轨 ：这种滚动导轨是把轨道及相对运动的导轨块由生产厂家预先根据用户要求组装好，用户只要把导轨单元的轨道和导轨块分别固定在机床的固定导轨和运动导轨上即可。因此用户在设计和装配调试上都十分简单方便。

单元式直线滚动导轨的结构

   1-导轨体 2-侧面密封垫 3-保持器 4-承载球列 5-端部密封垫
6-端盖 7-滑块 8-润滑油环

3．静压导轨    
       静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。工作过程中，导轨面上的油腔中的油压能随着外加负载的变化自动调节，以平衡外加负载，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。   
  静压导轨的摩擦因数极小，约为0．0005，功率消耗少。由于导轨工作在液体摩擦状态，故导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。

4．2 数控机床机械故障诊断方法
4．2．1 机械故障及其分类
所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。
机械故障可以从不同的角度来分类：按原因、按性质。按影响程度、按造成的后果、按发生的快慢、按发生的频次、按发生与发展的规律等。
4．2．2 机械故障诊断及其划分
所谓机械故障诊断，就是对机械系统进行监测和诊断，可以及时发现机器的故障和预防设备的恶性事故发生，从而避免人员的伤亡、环境的污染和巨大的经济损失。还可以找出生产系统中的事故隐患，从而对机械设备和工艺进行改造，以消除事故隐患。另外，是改革设备的维修制度，将传统的定期维修改变为预知维修，从而大大提高机械系统运行的安全性、可靠性和利用率。
4．2．3 机械故障诊断的基本环节
通常由以下几个基本环节组成：
1．确定运行状态监测的内容
2．建立测试系统
3．特征提取
4．状态识别、趋势分析、制定决策
4．2．4 数控机床机械故障诊断方法

对数控机床机械部分故障的一般处理
数控机床机械部分的修理，凡与常规机床机械部分相同的故障可用常规机床机械故障处理规定对待。但由于数控机床多采用电气控制，使机械结构简化，所以机械故障率有明显地降低。
1．进给传动链故障的处理：
由于数控机床的传动链大多采用滚动摩擦副，所以这方面的故障大多表现为运动品质下降而造成。如反向间隙增大，定位精度达不到要求、机械爬行现象，轴承噪声变大(尤其有机械硬碰撞之后易产生)等。这部分的维修常与运动副的预紧力，松动环和补偿环节的调整有密切关联。
2．主轴部件故障的处理：
这部分故障多与刀柄的自动拉紧装置、自动变档装置及主轴运动精度下降等有关。因为数控机床采取电气自动调速后已取消了机械变速箱装置，有时虽有变速箱但也十分简单，结构上简化使故障大为减少。
3．ATC刀具自动交换装置故障的处理：
据统计ATC刀具自动交换装置故障占数控机床机械故障的一半以上。主要故障现象有：
·刀库运动故障
·定位误差超差
·机械手夹持刀柄不稳定
·机械手运动动作不准
所有这些故障现象，都会导致换刀动作紧急停止，整机因不能实现ATC刀具自动交换而停机。
4．位置检查用行程开关压合故障的处理：
数控机床配备了许多限位运动的行程开关，使用一段时间后，使运动部件的运动特性起了变化以及压合行程开关的机械可靠性与行程开关本身的品质、特性都会影响整机的运动。这就需要很好地检查、更换或调整。
5．配套附件可靠性下降产生故障的处理：
数控机床的配套附件包括：
·冷却装置
·排屑装置
·防护装置(其中有冷却液防护罩、导轨防护罩等)
·主轴冷却恒温箱以及液压油箱
·气动泵及恒压气柜等。
这些部件的损坏或动作不灵都会产生故障，使机床运动停止。因此，对这些部位的检查不应忽略，如有的加工中心换刀动力依靠压缩空气，若气泵供压不够，或贮气柜漏气使气压下降，会使机床换刀动作暂停、机床的运动约束条件不满足也会产生报警而停机。只要排除了这些因素使机床约束条件得到满足，就会取消报警转入正常工作。
6．ATC故障排除实例
日本东芝公司的TOSNAC BMC125型卧式数控加工中心是20世纪80年代初期生产的数控机床。其自动换刀装置ATC控制回路示意框图如图所示。
当刀具交换时，共分19步动作，并要求在15s内完成上述各步动作，当出现故障时，上述各步动作中任何一步动作失误，均会使ATC装置刀具交换时间延长，从而发生报警。
BMC125型加工中心的换刀是属于有机械手进给刀具自动交换的形式，所以从结构上和动作上均属于比较复杂的一种。
大多数的BMC125型数控加工中心的用户在使用中的反映，ATC刀具自动交换装置故障出现的原因，大多数在于限位开关失灵，凡此类故障排除方法是通过手动复位后即可。对于限位开关元件，则应在故障出现后严格检测，必要时应更换。
4．3 主传动系统与主轴部件故障的诊断与维修
数控机床的主传动是承受主切削力的传动运动，它的功率大小与回转速度直接影响着机床的加工效率，而主轴部件是保证机床加工精度和自动化程度的主要部件，它们对数控机床性能有着决定性的影响。
4．3．1 主传动系统
主传动系统常采用的配置形式有：
（1）采用齿轮变速的形式
（2）采用带传动的形式
（3）由调速电机直接驱动的形式
4．3．2 主轴部件
主轴部件的性能要求
高回转精度、足够的功率输出、刚度、抗振性、温升以及自动变速、准停和自动换刀等要求。
主轴部件的结构
成组高精度轴承（滚动/静压/磁力/陶瓷）及其配置、轴承间隙调整和润滑密封以及满足工件的自动装夹要求
主轴的维护特点
1. 主轴润滑
减少摩擦、带走热量，（磨损和热变形）
循环润滑方式：液压泵供油强力润滑和 油脂润滑
油气润滑方式：定时定量把油雾送进轴 承空隙中
喷注润滑方式：较大流量的恒温油喷注 到主轴轴承（大容量恒温油箱）
2. 防泄露

主轴故障诊断　
故障现象　 　故障原因
1. 主轴发热　　轴承损伤或不清洁、轴承油脂耗尽或油脂过多、轴承间 　 隙过小
2. 主轴强力　　 电机与主轴传动的皮带过松、切削停转皮带表面有油、离合器松
3. 润滑油泄漏　 润滑油过量、密封件损伤或失效、管件损坏
4. 主轴噪声　　缺少润滑、皮带轮动平衡（振动）不佳、带轮过紧、齿轮磨 损或啮合间隙过大、轴承损坏
5. 主轴没有或 油泵转向不正确、油管或润滑不足滤油器堵塞、油压不足
6. 刀具不能 蝶形弹簧位移量太小、刀夹紧具松夹弹簧上螺母松动
7. 刀具夹紧后 刀具松夹弹簧压合过紧、不能松开液压缸压力和行程不够

4．4 进给传动机构故障的诊断及维修
4．4．1 齿轮传动副
以开环控制系统为例——

由于是开环系统或半闭环系统，数控系统对整个机械传动部分无任何误差检测及补偿或根据测试数据只有静态的补偿。机械传动精度直接影响着加工精度。
对于齿轮副，由于存在齿侧间隙，当工作台运动反向时，会使工作台的反向动作落后于数控指令，引起加工误差。
数控机床齿轮传动副要解决的主要问题是消除齿侧间隙。